基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)節(jié)能控制改造及效果驗(yàn)證*

中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司 劉益民△ 曹 勇

杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司 王麗娜

0 引言

近年來(lái)，分體空調(diào)因其投資少、安裝方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在酒店、學(xué)校等公共場(chǎng)所。但其分散、獨(dú)立的特點(diǎn)使其難以得到有效的監(jiān)控和管理，極易造成能源浪費(fèi)。有文獻(xiàn)指出，制冷溫度設(shè)定值每降低1 ℃，電功率增加5%～10%[1-3]。不合理地使用空調(diào)不僅增加空調(diào)的能耗，還會(huì)縮短空調(diào)的使用壽命[4]。因此，合理的、有效的、智能的分體空調(diào)管理系統(tǒng)對(duì)公共建筑分體空調(diào)節(jié)能減排有著重要意義。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為分體空調(diào)的智能化管理提供了一個(gè)全新的思路[5]。通過(guò)對(duì)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)、傳送與分析處理使分體空調(diào)的控制變得集中化、網(wǎng)絡(luò)化[6]。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)的基本框架為基礎(chǔ)，將分體空調(diào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，進(jìn)行智能控制和精確控溫，既可實(shí)現(xiàn)分體空調(diào)系統(tǒng)的精細(xì)化管理，又可有效杜絕空調(diào)不合理使用，從而在保障室內(nèi)舒適度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)分體空調(diào)節(jié)能。本文以某酒店分體空調(diào)改造項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)改造前后空調(diào)能耗數(shù)據(jù)的整理分析，闡述分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 技術(shù)介紹

物聯(lián)網(wǎng)的基本框架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[7-8]。感知層負(fù)責(zé)溫度、濕度、電流等數(shù)據(jù)的采集，為物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的最底層；網(wǎng)絡(luò)層作為物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的中間層，主要功能是將感知層采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給應(yīng)用層；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)3層架構(gòu)的最高層，它主要用于對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)末端進(jìn)行控制實(shí)施[9-10]。

分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)：感知層通過(guò)無(wú)線溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫度；網(wǎng)絡(luò)層采用LoRa協(xié)議和GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層，即空調(diào)智慧云平臺(tái)；空調(diào)智慧云平臺(tái)進(jìn)行溫度、運(yùn)行情況、運(yùn)行時(shí)間等多種參數(shù)的比對(duì)，并根據(jù)比對(duì)結(jié)果控制空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)通過(guò)以上監(jiān)測(cè)和控制方式達(dá)到避免極端溫度設(shè)定工況下空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 項(xiàng)目實(shí)例描述

本文以某酒店分體空調(diào)節(jié)能改造項(xiàng)目為例，分析基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況及節(jié)能效果。

該酒店于2015年建成，共3層，層高為2.5 m，呈東西朝向。外墻厚度為300 mm；外窗窗框?yàn)殇X合金材質(zhì)，雙層玻璃，密封性良好。酒店有A戶型(20 m2)和B戶型(18 m2)2種戶型共52間房，其中1層和3層各17間(12個(gè)B戶型，5個(gè)A戶型；9個(gè)東朝向，8個(gè)西朝向)，2層18間(13個(gè)B戶型，5個(gè)A戶型；9個(gè)東朝向，9個(gè)西朝向)。營(yíng)業(yè)至今，酒店平均入住率為90%。該酒店采用分體空調(diào)系統(tǒng)，每個(gè)房間均安裝KFR-23GW/(23556)Ga-3熱泵型定頻空調(diào)1臺(tái)。

酒店空調(diào)系統(tǒng)至測(cè)試時(shí)已運(yùn)行3年時(shí)間。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，客戶設(shè)置溫度往往偏極端，多數(shù)客戶會(huì)把空調(diào)溫度設(shè)在18～20 ℃，造成空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而引起大量的能源浪費(fèi)。

該改造項(xiàng)目通過(guò)安裝分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)，由無(wú)線溫度傳感器感應(yīng)室內(nèi)實(shí)際溫度，反饋至分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)，由紅外線信號(hào)控制壓縮機(jī)啟停(室內(nèi)溫度高于26 ℃開(kāi)啟、低于24 ℃關(guān)閉)，從而在滿足室內(nèi)舒適度的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能的效果。

在該酒店改造完成之后，為分析分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果，筆者制定了2套實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案，分別從宏觀及微觀方面以實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行節(jié)能效果的分析對(duì)比。

3 節(jié)能對(duì)比試驗(yàn)方案

該酒店所有房間內(nèi)的分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)于2018年6月全部安裝完畢，系統(tǒng)通過(guò)控制壓縮機(jī)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄電耗和運(yùn)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)節(jié)能直觀化。

3.1 宏觀對(duì)比方案

宏觀對(duì)比以整層作為研究對(duì)象，用1、2層房間進(jìn)行整體節(jié)能效果對(duì)比，其中，1層房間的空調(diào)按原方式運(yùn)行，不作控制；2層房間的空調(diào)按節(jié)能控制方式運(yùn)行。以8月作為對(duì)比期，每天計(jì)量空調(diào)運(yùn)行時(shí)間和用電量。通過(guò)綜合對(duì)比1、2層空調(diào)總體單位時(shí)間耗電量，分析整體節(jié)能效果。1、2層試驗(yàn)房間信息及節(jié)能試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 1、2層試驗(yàn)房間信息及空調(diào)節(jié)能試驗(yàn)方案

3.2 微觀對(duì)比方案

微觀對(duì)比以單獨(dú)房間作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比單獨(dú)房間的空調(diào)原運(yùn)行方式與節(jié)能控制運(yùn)行方式下的單位時(shí)間能耗，分析不同房間的節(jié)能效果。以3層各房間為樣本，選取夏季正常(相近)天氣(天氣晴朗、30 ℃左右)的2周進(jìn)行對(duì)比分析。3層試驗(yàn)房間信息及節(jié)能試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 3層試驗(yàn)房間信息及空調(diào)節(jié)能試驗(yàn)方案

4 節(jié)能效果對(duì)比分析

4.1 數(shù)據(jù)獲取及篩選

本次節(jié)能效果分析獲取了所有參與對(duì)比試驗(yàn)房間的空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由房間號(hào)、日期、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)用電量及節(jié)能開(kāi)關(guān)啟閉情況等數(shù)據(jù)組成。

宏觀對(duì)比方案共采集空調(diào)能耗數(shù)據(jù)1 085組；微觀對(duì)比方案選取7月8—14日和8月8—14日空調(diào)能耗數(shù)據(jù)238組。

為保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，處理掉異常樣本。本次試驗(yàn)共設(shè)置了2項(xiàng)篩選條件：?jiǎn)挝粫r(shí)間能耗不應(yīng)高于1.5 kW，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)短于0.5 h。實(shí)驗(yàn)品牌分體空調(diào)最大輸入總功率為1.5 kW，因此，高于此數(shù)值的樣本應(yīng)屬于異常數(shù)據(jù)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般運(yùn)行超過(guò)0.5 h將開(kāi)啟節(jié)能控制，因此，短于此運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的樣本不具備節(jié)能特性。篩選后，得到宏觀對(duì)比有效數(shù)據(jù)911組，微觀對(duì)比有效數(shù)據(jù)217組。

4.2 宏觀對(duì)比結(jié)果分析

根據(jù)宏觀對(duì)比方案，筆者對(duì)篩選出的1、2層各分體空調(diào)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸納整理，計(jì)算出節(jié)能控制關(guān)閉及開(kāi)啟狀態(tài)下的累計(jì)電耗、累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、單位時(shí)間電耗及節(jié)能量和節(jié)能率，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 宏觀對(duì)比空調(diào)節(jié)能效果

從表3可以看出，節(jié)能控制關(guān)閉時(shí)分體空調(diào)的平均單位時(shí)間耗電量為0.475 kW，而節(jié)能控制開(kāi)啟時(shí)，分體空調(diào)平均單位時(shí)間耗電量?jī)H為0.385 kW，節(jié)能率達(dá)到了18.93%。從宏觀節(jié)能對(duì)比的分析結(jié)果可看出，雖然分體空調(diào)可按照設(shè)定溫度進(jìn)行間歇運(yùn)行，但其能耗依然較高，開(kāi)啟節(jié)能控制可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

在數(shù)據(jù)整理過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)在節(jié)能控制開(kāi)啟時(shí)，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，其單位時(shí)間耗電量越低。因此，針對(duì)該項(xiàng)目，可能空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其節(jié)能效果越好。為進(jìn)一步證實(shí)這一猜想，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和客戶的住店習(xí)慣，將宏觀對(duì)比數(shù)據(jù)根據(jù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)劃分為<3 h、3～10 h、>10 h 3個(gè)區(qū)間，并分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和歸納，具體數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表4。

表4 不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)空調(diào)節(jié)能效果分析

在房間空調(diào)運(yùn)行初期，即運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)短于3 h時(shí)，為了保證房間溫度能達(dá)到空調(diào)設(shè)定參數(shù)，空調(diào)在此時(shí)段內(nèi)基本處于一直開(kāi)啟狀態(tài)且以最大功率進(jìn)行輸出，所以在此時(shí)段內(nèi)節(jié)能模式的開(kāi)啟基本不能帶來(lái)節(jié)能率；當(dāng)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)達(dá)到設(shè)定值，即運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為3～10 h時(shí)，空調(diào)在節(jié)能模式運(yùn)行下間歇性運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制功率輸出，而在非節(jié)能模式下仍為一直開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)室內(nèi)參數(shù)持續(xù)穩(wěn)定，即空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)于10 h時(shí)，空調(diào)持續(xù)間歇變頻運(yùn)行，節(jié)能率達(dá)到20%以上且上升趨勢(shì)趨于平緩。所以，在節(jié)能模式下，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，單位時(shí)間耗電量越低。

從表4可以看出：當(dāng)空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)<3 h時(shí)，在節(jié)能控制關(guān)閉的情況下，其單位時(shí)間耗電量為0.533 kW，而開(kāi)啟節(jié)能控制時(shí)，單位時(shí)間耗電量降為0.513 kW，節(jié)能率為3.74%；當(dāng)空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為3～10 h時(shí)，在節(jié)能控制關(guān)閉的情況下，單位時(shí)間耗電量為0.497 kW，而開(kāi)啟節(jié)能控制時(shí)，單位時(shí)間耗電量降為0.436 kW，節(jié)能率為12.29%；當(dāng)空調(diào)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)>10 h時(shí)，在節(jié)能控制關(guān)閉的情況下，單位時(shí)間耗電量為0.471 kW，而開(kāi)啟節(jié)能控制時(shí)，單位時(shí)間耗電量降為0.376 kW，節(jié)能率上升至20.26%。

根據(jù)不同運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)區(qū)間的節(jié)能對(duì)比分析結(jié)果可看出，基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)節(jié)能控制在空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)其節(jié)能效果更好。

4.3 微觀對(duì)比結(jié)果分析

在微觀對(duì)比試驗(yàn)期間，酒店該層入住率為100%，各房間空調(diào)平均運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)均在10 h以上，室外天氣情況相似，且空調(diào)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)相近：關(guān)閉節(jié)能控制的1周內(nèi)平均氣溫為31.9 ℃，開(kāi)啟節(jié)能控制的1周內(nèi)平均氣溫為33.5 ℃，偏差為4.8%，小于5%；關(guān)閉的1周內(nèi)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)占全周時(shí)間47%，開(kāi)啟的1周內(nèi)總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)占全周時(shí)長(zhǎng)的50%。綜上認(rèn)為實(shí)驗(yàn)時(shí)段的室外參數(shù)差異對(duì)能耗影響不大，所以本文未進(jìn)行天氣修正。室外天氣情況見(jiàn)表5，各房間數(shù)據(jù)的整理和歸納見(jiàn)表6。

表5 對(duì)比階段室外天氣情況

表6 微觀對(duì)比空調(diào)節(jié)能效果

從表6可以看出，在室外天氣情況基本相同的條件下，開(kāi)啟節(jié)能控制時(shí)，其節(jié)能效果普遍較好，整體節(jié)能率在2.93%～21.85%之間，平均節(jié)能率為13.7%，其中308房間空調(diào)的節(jié)能率最低，僅3%左右，而339房間的空調(diào)節(jié)能率則達(dá)到了近22%。

從表6可以看出，不同房間的節(jié)能率存在較大差異。筆者對(duì)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了深入分析。通過(guò)分析平臺(tái)監(jiān)測(cè)的其他數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，節(jié)能率較低的308房間，在2周的對(duì)比試驗(yàn)中，其房客的空調(diào)設(shè)定溫度在25～26 ℃之間，而節(jié)能率較高的339房間，其空調(diào)設(shè)定溫度在18～22 ℃之間，本次實(shí)驗(yàn)其余房間設(shè)定溫度均在22～24 ℃之間，房客的使用特性和節(jié)能意識(shí)是影響節(jié)能效果的重要因素。與此同時(shí)，筆者與酒店管理者針對(duì)單位時(shí)間耗電量較高的306和309房間的空調(diào)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)306房間空調(diào)壓縮機(jī)存在問(wèn)題，運(yùn)行時(shí)存在異響；309房間空調(diào)制冷劑存在泄漏的情況，因此，空調(diào)的狀況也是影響節(jié)能效果的重要因素。

5 結(jié)論

1) 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了針對(duì)分體空調(diào)的集中控制系統(tǒng)，通過(guò)制定節(jié)能策略控制分體空調(diào)壓縮機(jī)的運(yùn)行，在保證室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的前提下，實(shí)現(xiàn)分體空調(diào)節(jié)能。

2) 從宏觀對(duì)比的結(jié)果可看出，開(kāi)啟節(jié)能控制可有效降低空調(diào)能耗，節(jié)能率可達(dá)18.93%，且運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)能率越高，當(dāng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)于10 h時(shí)，節(jié)能率可提高至20.26%。

3) 從微觀對(duì)比的結(jié)果可得出單個(gè)房間的整體節(jié)能率在3%～22%之間，平均節(jié)能率為13.7%，影響節(jié)能狀態(tài)開(kāi)啟下房間節(jié)能量的因素包含：空調(diào)設(shè)備狀態(tài)、房間設(shè)定溫度過(guò)高過(guò)低等，工程中可以通過(guò)規(guī)避以上因素達(dá)到更好的節(jié)能效果。

4) 本文的相關(guān)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論可為分體空調(diào)節(jié)能控制的方法和策略提供相關(guān)技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，填補(bǔ)我國(guó)分體空調(diào)節(jié)能控制的空白，并為未來(lái)分體空調(diào)節(jié)能管控及故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展提供新思路。